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2012년 2월 석사학위 논문
반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 극초단 광섬유 레이저의
출력특성 연구
조 선 대 학 교 대 학 원
광 기 술 공 학 과
문 동 준
반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 극초단 광섬유 레이저의
출력특성 연구
A study on outputcharacteristicsofan ultrashort opticalfiberlaserwith asemiconductorsaturable
absorbermirror
2012년 2월 24일
조선대학교 대학원
광 기 술 공 학 과
문 동 준
반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 극초단 광섬유 레이저의
출력특성 연구
지도교수 김 현 수
이 논문을 공학석사학위신청 논문으로 제출함
2011년 10월
조선대학교 대학원
광 기 술 공 학 과
문 동 준
문동준의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교 수 박 종 락 ( 인) 위 원 조선대학교 교 수 안 태 정 ( 인) 위 원 조선대학교 교 수 김 현 수 ( 인)
2011년 11월
조선대학교 대학원
목 차
ABSTRACT
제1장 서 론
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1
제2장 이 론
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4
제1절 이터븀 이온이 첨가된 실리카 광섬유 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4
제2절 편광 유지형 광섬유 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8
제3절 모드잠금 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·10
3. 1능동 모드잠금 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·13
3. 2수동 모드잠금 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·14
3. 3연속발진 모드잠금 조건 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·15
제4절 반도체 포화 흡수체 거울 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·18
4. 1주요 파라미터 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·21
제3장 반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 수동 모드잠금된 광섬유 레이저
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23
제1절 광섬유 융착 접속 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23
제2절 선형 공진기형 광섬유 레이저의 구성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·26
제3절 자기상관 간섭계를 이용한 펄스 폭 측정 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·30
3. 1광강도 자기상관간섭계 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·30
3. 2주파수분석 광게이팅 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·32
제4장 실험 결과 및 고찰
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·33
제1절 광섬유 레이저의 모드잠금 출력특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·33
1. 1렌즈의 초점거리에 따른 모드잠금 출력특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·35
1. 2CCD 카메라를 이용한 M
2측정 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·47
1. 3자기상관 간섭계를 이용한 펄스 폭 측정 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·49
제5장 결론 ···
53
[참고문헌] ···
55
[감사의 글] ···
58
그 림 목 차
그림 1.네오듐,이터븀,어븀 이온이 첨가된 광섬유의 방출 스펙트럼···4
그림 2.게르마늄 실리카 호스트에서 이터븀의 흡수 및 방출 단면적···6
그림 3.이터븀 이온의 에너지 준위···7
그림 4.편광 유지형 광섬유의 종류···8
그림 5.서로 다른 위상을 갖는 4개의 모드와 신호들의 총합···12
그림 6.동위상을 갖는 4개의 모드와 신호들의 총합···12
그림 7.변조에 의한 능동 모드잠금···13
그림 8.반도체 포화 흡수체 거울의 구조···18
그림 9.반도체 포화 흡수체의 응답 특성···19
그림 10.실험에 사용된 SESAM의 반사율 특성···20
그림 11.편광 유지형 광섬유의 융착 접속···25
그림 12.실험 구성도···27
그림 13.실제 실험 구성도···27
그림 14.SESAM의 분산 특성···28
그림 15.PM-YSF-HI광섬유의 분산 특성···29
그림 16.PM980-HP 광섬유의 분산 특성···29
그림 17.이 광자 효과 기반 자기상관 측정장치의 구조···31
그림 18.제 2고조파 기반 FROG 측정장치의 구조···32
그림 19.렌즈에 따른 모드잠금 출력특성을 위한 실험 구성도···34
그림 20.15mm 렌즈를 이용한 출력 특성···36
그림 21.입력 펌프광 150mW에서 스펙트럼···37
그림 22.15mm 렌즈를 이용한 실험의 스펙트럼···38
그림 23.15mm 렌즈를 이용한 출력에 대한 스펙트럼 특성···38
그림 24.11mm 렌즈를 이용한 출력 특성···39
그림 25.11mm 렌즈를 이용한 실험의 반복률 측정···40
그림 26.11mm 렌즈를 이용한 실험에서 반복률 비교···40
그림 27.11mm 렌즈를 이용한 실험의 스펙트럼···41
그림 28.11mm 렌즈를 이용한 출력에 대한 스펙트럼 특성···42
그림 29.8mm 렌즈를 이용한 출력 특성···43
그림 30.8mm 렌즈를 이용한 실험의 스펙트럼···44
그림 31.8mm 렌즈를 이용한 출력에 대한 스펙트럼 특성···44
그림 32.정상상태의 광섬유와 손상된 광섬유 표면 비교···45
그림 33.모드잠금을 위한 최소한의 공진기 내부 펄스 에너지 계산값···46
그림 34.출력 빔 형상 측정 장치 구성도···48
그림 35.펌프파워와 렌즈 초점거리에 따른 M2···49
그림 36.자기상관 간섭계에 의한 측정 데이터···50
그림 37.50ps범위에서 자기상관 신호···52
그림 38.모드잠금된 신호의 분광사진과 10ps범위에서 자기상관 신호···52
표 목 차
표 1PM-YSF-HI세부사양···9
표 2PM980C-HI세부사양···9
표 3FusionSplicer세부사양···24
표 4CCD 카메라의 세부사양 ···48
ABSTRACT
A study on outputcharacteristicsofultrashortoptical fiberlaserwith asemiconductorsaturableabsorber
mirror
Dong Joon Moon
Advi sor:Pr of .Hyun Su Ki m,Ph. D.
Depar t mentofPhot oni cEngi neer i ng Gr aduat eSchoolofChosun Uni ver si t y
Recently,fiberlasersystemswith ultrashortpulse-widthshavebeen used forfundamentalresearch as wellas formedicaland industrialapplications. One of the methods to generate an ultrashort pulse is the use of a mode-locking technique.Theuseofthepassivemode-locking techniquewith fiber laser system is popular because of its simple configuration, low fabrication cost,and narrow pulse-width.There are two popular passive mode-locking methods:the firstinvolves the use of nonlinearpolarization rotation and a saturable absorber. Although the nonlinear polarization rotation(NLPR)method hasseveraladvantagessuch aslong lifeand narrow shortpulse generation,itis sensitive to the surrounding temperature and fiberconditions.In contrastwiththeNLPR methode,thesecondmethod,i.e., the saturable absorber method, is less sensitive to the surrounding
environmentalconditions,whichisimportantinindustrialapplications.
Semiconductorsaturableabsorbermirrors(SESAM)compriseoneofamong the several types of saturable absorbers used for passive mode-locking.
SESAMshavea nonlinearreflectancethatdependson theintensity incident on their surface.The continuous wave(CW)mode-locking condition ofthe fiberlaserusedwithaSESAM stronglydependsonthelaserintensityinside thelasercavityandtheSESAM'smainparameters,whicharethesaturation fluenceandreflectancemodulation depth.In particular,thelaserfluenceon a SESAM surfaceintensively affectsthelaseroutputcharacteristics.Hence,to obtain stable mode-locked pulses, we must analyze the mode-locking characteristicsbyvaryingthelaserfluenceincidentontheSESAM surface.
In this thesis,we design a CW mode-locked Yb-doped PM fiber laser basedonaSESAM witha30% modulationdepthanda9-psrelaxationtime. We analyze the outputcharacteristics ofthe CW mode-locked laser as a function ofthe laserfluence incidenton theSESAM surface by using four asphericlenses.Thesefourlenseshave focallengths of6.2 mm,8 mm,11 mm,and 15mm.Wefoundthatthedynamicrangeofpumppowerrequired forstable mode-locked operation increased asincreasing the focallength of theasphericlens,whilethethreshodforCW mode-locking increased.Atthe optimized condition,thedesigned laserhasamaximum outputpowerof70.5 mW ata wavelength of1035 nm,repetition rate of9.47 MHz,and slope efficiencyof20%.Themeasuredbeam quality(M2)is1.01.Wealsomeasured thepulsewidthbyusing aFROG andanautocorrelator.Themeasuredpulse shape comprised a shortpulse and long background pulse.The shortpulse with was about500 fs,whereas the width ofthe background pulse was greaterthan50ps.
제1장 서 론
1960년대에 개발되었던 광섬유는 높은 손실(>1000 dB/km)특성 때문에 오직 짧은 길이의 이미지 전달 용도로 사용되었다.[1]그러나 1970년대 후반부터 광섬 유의 제조기술이 진보하였고,그에 따라 1.55μm 파장범위에서 발생하는 레일레 이(Rayleigh) 산란 이외의 손실 요인들을 제거할 수 있었다.그에 따라 0.2 dB/km의 최소 손실을 갖는 광섬유가 개발되었다.[2]이러한 손실이 적은 광섬유 의 개발은 기존의 짧은 길이가 아닌 장거리 전송을 가능하게 하면서,초고속 고 품질의 반송파를 안정적으로 전송하기 위한 낮은 잡음 특성의 광 증폭기 기술과 광섬유를 이용한 장거리 전송에 대한 연구의 원동력이 되었다.1974년 GaAs반 도체 다이오드 레이저의 개발 이후[3],InGaAs와 InGaAsP 다이오드 레이저의 신 뢰성 향상과 광섬유의 낮은 손실이 1.3μm와 1.55μm 파장의 광섬유 통신 시스 템의 발달을 초래했다.그리고 1980년대 초반에는 신호 증폭을 위해 단일 모드 광섬유에서 비선형 현상과 편광 유지형 광섬유에 초점이 맞추어져 연구되었고, 1985년에는 영국의 Southampton 대학에서 단일 모드의 희토류 원소가 첨가된 광섬유 레이저 제조를 위한 MCVD(Modified ChemicalVaporDeposition)등의 기상 증착 공정이 보고되면서,[4]희토류 첨가된 광섬유의 특성에 대한 연구와 제 작이 기존의 장거리 통신에 대한 관심뿐 아니라 광섬유 증폭기 응용 및 광섬유 레이저로의 관심을 불러 일으켰다.
최초의 네오듐(Nd)을 이용한 광섬유 레이저는 1961년에 Snitzer에 의해 구현되 었고,[5]665nm 파장의 색소 레이저로 펌핑된 최초의 어븀이 첨가된 광섬유 증 폭기(EDFA:Erbium-Doped FiberAmplifier)는 1987년 David Payne과 그의 동 료들에 의해 만들어 졌다.[6]그러나 EDFA의 개발 직후까지 광섬유 레이저는 큰 관심을 불러일으키지 못했다.오직 장거리 광통신을 위한 연구 분야였던 광섬유 레이저는 기존의 고체 레이저에 비해 소형 경량화,높은 이득과 넓은 이득 대역, 좋은 열 특성,우수한 빔 품질의 장점과 함께 전 광섬유(allfiber)형태로 공진기 를 구성할 수 있어서 정밀한 광 정렬이 필요 없고,유지 보수 및 안정성이 뛰어 나다는 장점이 부각되면서 2000년대 초반에 들어서면서 본격적인 관심을 받으며 레이저 및 다양한 응용분야를 위해 연구되기 시작하였다.
특히 광섬유 펄스 레이저는 출력 파장과 펄스폭 그리고 펄스 반복률등에 따라 광통신,레이저 가공,의료 분야,초정밀 광주파수 측정 및 분광학등의 광계측 분 야등의 응용분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다.1 μm의 파장영역,피코초 (10-12s)이하의 짧은 펄스폭,1MHz이상의 고반복률을 갖는 극초단 광섬유 레 이저들은 광 간섭성 단층 촬영(opticalcoherencetomography),초정밀 광주파수 측정(opticalfrequency metrology),테라헤르츠파 발생(terahertzgeneration),이 광자 분광학(twophotonspectroscopy)등의 여러 분야에서 활용되고 있다.
이러한 응용을 위한 광섬유 레이저 출력은 연속발진(ContinuousWave)레이 저의 출력과 달리 매우 높은 피크파워와 좁은 폭을 갖는 극초단 펄스가 요구된 다.흔히 피코초 또는 펨토초(10-15s)이하의 짧은 시간의 펄스폭을 의미하는 극 초단 펄스는 레이저 공진기 내에서 모드 잠금(Mode locking)기술을 이용하여 구현할 수 있다.모드 잠금은 공진기 내에 존재하는 다수의 종모드(Longitudinal mode)들의 위상 잠금을 의미한다.즉,불규칙한 위상 관계에 놓인 서로 다른 종 모드들 사이에서 간섭이 발생하여 강하게 요동치는 펄스형 방사가 발생되어지고, 레이저 공진기내에서 순환하는 광의 왕복운동 시간에 일치하여 비교적 약한 변 조를 발생시킴으로써 펄스를 발진시키고 공진기 내의 왕복운동 횟수가 증가하면 서 이득의 유한한 대역폭에 의해 제한되는 한계까지 펄스폭이 좁아지고 그것의 스펙트럼이 넓어짐을 의미한다.[7]
모드 잠금 기술은 능동형 모드 잠금 기술과 수동형 모드 잠금 기술이 있으며 공진기 내부에 변조를 야기 시키는 외부 신호를 사용하는 기술은 능동형 모드 잠금이라 불리며,광섬유 레이저에서 사용되는 대표적인 기술은 음향광학 변조기 (acousto-opticmodulator),전기광학 변조기(electro-opticmodulator)등을 이용하 는 기술이 있다.수동형 모드 잠금 기술은 광학적 비선형 수동 소자를 이용하며 광섬유 레이저에서 많이 사용되는 대표적인 기술로는 포화 흡수체(SA:
SaturableAbsorber),비선형 편광 회전(NLPR:NonLinearPolarizationRotation) 과 비선형 원형고리 거울(NLM:NonlinearLoopMirror)을 이용한 기술 등이 있 다.이 중 수동형 모드 잠금 기술은 능동형 모드 잠금 기술에 비해 저렴하며,공 진기 구성이 간단하고,상대적으로 짧은 펄스폭을 구현할 수 있다는 장점들로 인 해 선호되고 있으며,특히 수동형 모드 잠금 기술 중 하나인 반도체 포화 흡수
체 거울(SESAM:SEmiconductorSaturableAbsorberMirror)을 이용한 모드잠 금 기술은 자기발진(self-starting)이 가능하며,짧은 펄스폭의 구현이 가능하다는 장점 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 논문에서 사용되는 모든 광섬유는 편광 유지형(PM: Polarization Maintaining) 단일 모드 광섬유를 이용하였다.이득 매질로는 이터븀 이온이 첨 가된 광섬유를 사용하였고,수동 모드잠금 소자로는 반도체 포화 흡수체 거울을 이용하여 레이저를 구성하였다.SESAM을 이용한 모드잠금 레이저는 SESAM에 입사되는 단위 면적당 빔의 세기에 따라 모드잠금 출력 특성이 다르게 된다.최 적화된 레이저 출력을 얻기 위해서는 공진기 내에서 SESAM으로 입사되는 빔의 세기에 대한 분석이 필요하며,본 실험에서는 초점거리가 다른 렌즈를 사용하여 SESAM에 입사되는 단위 면적당 세기를 변화시키면서 그 변화에 따른 SESAM 의 모드 잠금 출력 특성을 분석하였다.
제2장 이 론
제1절 이터븀 이온이 첨가된 실리카 광섬유
희토류 이온이 첨가된 광섬유에서의 우수한 광 전파 특성과 활성이온의 넓은 흡수와 방출 단면적 특성은 극초단 광 펄스의 발생과 증폭에 있어서 매우 이상 적이다.특히 희토류 이온이 첨가된 광섬유에서 광 증폭은 광 통신과 다양한 광 섬유 레이저를 위해 사용되고 있으며,요구되는 파장과 출력 특성 등을 고려하여 적절한 희토류 이온들이 사용되고 있다.지금까지 고출력과 극초단 분야에서 가 장 많이 사용되고 있는 이온들은 어븀(Er:Erbium),이터븀(Yb:Ytterbium)그리 고 네오듐(Nd:Neodymium)이 있으며,이러한 희토류 이온들의 특징을 비교함으 로써 최근 가장 활발히 연구되고 있는 이터븀의 장점을 살펴보자.[8]
그림 1.네오듐,이터븀,어븀 이온이 첨가된 광섬유의 방출 스펙트럼
그림 1은 3가지 희토류 이온이 첨가된 광섬유의 발진 스펙트럼의 분포를 도식 화 하였다.먼저 어븀은 980nm의 여기광을 이용하여 1550nm의 방출파장을 얻 을 수 있으며,이터븀은 975nm 의 여기광을 이용하여 1035nm 근처의 파장을
얻을 수 있다.어븀의 방출파장은 광섬유의 최저 손실 영역과 일치한다는 장점으 로 통신 분야에서 선호되고 있지만,석영계 유리에 대한 용해도가 낮아 고농도의 첨가가 불가능하다는 단점이 있다.반면에 이터븀은 1μm의 파장을 요구하는 다 양한 레이저 응용분야에서 선호되고 있으며,고농도 첨가가 가능하고 농도소광이 없어 이득 매질의 길이를 줄일 수 있다는 장점이 있다.그리고 네오듐은 940 nm,1060nm,1300nm 근처의 방출파장을 이용할 수 있지만,효율을 향상시키 기 위해서는 808nm를 여기 광원으로 사용하여 1060nm의 방출파장을 이용하 게 된다.4준위 에너지 준위를 갖는 네오듐은 3준위 에너지 준위를 갖는 이터븀 에 비해 상대적으로 낮은 레이저 문턱 값에서 쉽게 발진될 수 있다는 장점이 있 지만,이터븀은 네오듐보다 상위 준위 수명이 길고 에너지 저장 효과가 크다는 장점이 있다. 또한 에너지 준위 구조가 간단하여 여기 상태 흡수(ESA:
Excited-state absorption)가 발생하지 않으며,여기 파장과 첨두의 방출파장의 영역이 가깝기 때문에 높은 양자 효율(∼95%)을 기대할 수 있다는 장점이 있 다.[8][9]이러한 장점들을 가지고 있는 이터븀을 고출력과 극초단 광섬유 레이저에 사용하기 위해서는 실온에서 순수한 실리카를 호스트로 하는 이터븀 이온의 흡 수와 방출 단면적과 에너지 준위 구조도를 통해 좀 더 심도 있게 이해해야 할 필요가 있다.
실온에서 이터븀 이온이 첨가된 실리카 유리의 흡수와 방출 단면적은 균질 (homogeneous)과 비균질(inhonogeneous)넓어짐 현상이 발생하기 때문에 아직 까지 정확히 분석되지 못하고 있다.따라서 그림 2는 순수한 실리카 유리와 매우 유사한 특성을 갖는 게르마늄 실리카 유리에서 이터븀 이온의 흡수와 방출 단면 적을 나타내었다.그림 2에서 볼 수 있듯이 이터븀 이온은 800nm∼1070nm의 매우 넓은 흡수 대역폭을 제공한다. 따라서 AlGaAs(800∼850 nm)와 InGaAs(980 nm) 레이저 다이오드,Nd:YLF(1047 nm),그리고 Nd:YAG(1064 nm)레이저 등의 다양한 여기 광원을 이용할 수 있다.[10]
그림 2.게르마늄 실리카 호스트에서 이터븀의 흡수 및 방출 단면적[11]
그림 3은 이터븀 이온의 에너지 준위 구조를 보여준다.이터븀은 다른 희토류 이온과 달리 매우 간단한 구조를 갖는다.이터븀은 대략 10,000 cm-1의 간격을 갖는 2F7/2의 기저준위와 2F5/2의 여기준위 2개만으로 구성되며,더 높은 에너지 준위가 없기 때문에 여기 상태 흡수(ESA:Excited-stateabsorption)와 다중 포 논 완화(Multi-phonon relaxation)의 발생률을 매우 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.[11]또한 이러한 간단한 구조의 에너지 준위는 어븀(Er3+)과 네오듐(Nd3+)보 다 어느 수준의 농도를 넘어서면 광섬유 레이저의 효율이 떨어지는 현상인 농도 소광(concentration quenching)이 적어서 고농도의 첨가가 가능하며 이로써 이득 매질의 길이를 단축할 수 있다.[11]기저상태의 준위와 준안정 상태인 여기상태 준위는 Stark 효과에 의해 4개와 3개의 아래준위를 갖는다.이러한 아래준위는 열적으로 여기 되는 레이저 광을 다시 흡수하기 때문에 고효율의 동작을 위해서 는 강한 여기로 아래 준위에 흡수 포화를 일으켜 큰 반전 분포를 얻을 필요가 있다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 흡수와 방출 스펙트럼에서 PeakA는 기저상태 준위 의 가장 낮은 바닥 준위에서 여기상태 준위의 가장 바닥 준위로의 천이에 의해 발생되었다.Peak B는 기저 준위의 가장 낮은 바닥 준위 a에서 f와 g로 천이와 일치하고 흡수 스펙트럼의 Peak C는 이터븀 첨가된 매질에서 재흡수를 야기할
수 있다.이것은 대략 1000nm를 작동시키는 광섬유 레이저 시스템의 발진 문턱 값을 증가시킨다.방출 스펙트럼에 대해서 e에서 b,c,그리고 d로의 천이는 peakD를 야기 시킨다.이런 천이들은 1200nm까지 넓은 대역의 발진을 가능하 게 하며,이러한 준위들 간의 천이는 4준위 레이저 시스템으로 다뤄질 수 있다.
PartE 부분은 준위 f에서 a와 b로의 천이들과 일치하고 이것은 대부분의 경우 에서 매우 약한 방출을 발생한다.[12]
그림 3.이터븀 이온의 에너지 준위
마지막으로 광섬유의 호스트 물질은 순수한 실리카 유리(silicaglass),플루오 르화 유리(fluorideglass)그리고 인산염 유리(phosphateglass)뿐 아니라 약간의 첨가물질을 포함하는 알루미노 실리카 유리(aluminosilicateglass),게르마늄 실 리카 유리(germanosilicate glass), 또는 포스포 실리카 유리(phosphosilicate glass)등이 있다.첨가물질에 따라 희토류 이온의 용해도가 향상되거나 상위 준 위의 평균수명에서 소광(quenching)현상 없이 첨가이온의 더 높은 농도를 가능 하게 한다.이외에도 굴절률,스펙트럼 모양,에너지 천이율에 대한 효과가 있지 만 이터븀(Yb3+)을 위한 가장 적절한 호스트 물질은 순수한 실리카 유리이다.[13]
(a)타원 코어 (b)Bow-tie (c)PANDA (d)타원클래딩
제2절 편광유지형 광섬유
실제 단일모드 광섬유의 기본 모드(TEM00)는 단일모드가 아닌 2개의 수직으로 편 광된 축퇴된 모드들(degeneratemodes)의 조합이다.일반적인 광섬유는 제조상의 불 완전성으로 인해 광섬유 구조상 작은 크기의 복굴절을 갖게 된다.그래서 짧은 길이 의 광섬유를 사용하는 경우에는 편광상태에 큰 영향을 주지 않지만,수 미터가 넘는 길이의 광섬유가 사용되는 대부분의 광섬유 레이저의 경우는 일정한 편광상태를 유 지하는 것이 어렵다.이렇게 길이가 긴 광섬유를 전파하는 2개의 축퇴된 모드는 코어 모양에서 불규칙한 변형의 내부적인 요소와 광섬유 구부림 및 온도변화 등의 외부적 인 요소와 직면할 때 서로의 에너지를 혼합시키면서 축퇴된 모드를 깨뜨리는 두 개 의 편광상태의 혼합을 야기 시킨다.[14]따라서 편광상태를 안정적으로 유지하기 위해 서는 의도적인 강력한 복굴절이 요구된다.이러한 강력한 복굴절은 광섬유 코어에 응 력(stress)물질을 넣는 방법과 광섬유의 구조를 비대칭의 원형으로 만드는 방법이 있다.광섬유 코어에 응력 물질을 넣는 방법은 응력 물질의 위치와 두께에 따라 복굴 절 강도가 다르며,이러한 복굴절을 야기하는 응력물질의 모양에 따라 PANDA, Bow-tie광섬유로 불린다.[15]그리고 광섬유의 구조를 비대칭의 원형으로 만드는 방 법은 코어와 클래딩의 모양을 타원형으로 만들며 원통의 대칭을 깨뜨리는 것으로 타 원 코어,타원 클래딩 광섬유가 대표적이다.지금까지 기술한 편광 유지형 광섬유의 종류들은 그림 4에서 볼 수 있다.
그림 4.편광 유지형 광섬유의 종류[16]
편광 유지형 광섬유는 그림 4와 같이 slow와 fast축의 구분을 요구한다.응력이 가 해진 축은 더 큰 모드 굴절률을 갖고 그 방향으로 전파하는 빛의 그룹속도가 더 느 리기 때문에 slow 축으로 불린다.반대로 응력이 가해지지 않는 축은 모드굴절률이 더 작고 그 방향으로 전파하는 빛에 대해서 그룹속도가 더 크기 때문에 fast축으로 불린다.
본 실험에서 사용되는 광섬유의 이득매질은 Nufern사의 PM-YSF_HI이며,수동형 광섬유로는 PM980C-HP를 사용하였다.이밖에 사용된 광섬유는 광학소자인 파장분 할 다중화 결합기와 출력 결합기의 pigtail된 광섬유인 PM980C-XP와 펌핑용 광원의 pigtail된 광섬유인 HI1060이 있다. 공진기의 주된 광섬유인 PM-YSF_HI와 PM980C-HP에 대한 세부 사양은 아래의 표 1과 2에 자세히 기술하였다.
PM-YSF-HI
parameter Unit Value SecondModeCut-off nm 860± 70 ModeFieldDiameter@1060nm μm 7.5± 1.0
Birefringence ≥ 2.5× 10-4 OperatingWavelength nm 1060-1115 CoreAbsorption@ 975nm dB/m 250
CoreDiameter μm 6 CladDiameter μm 125 CoreNumericalAperture 0.11
표 1.PM-YSF-HI세부사양 PM980C-HP
parameter Unit Value CoreAttenuation@ 980nm dB/km 1.3
Cut-off nm 900
ModeFieldDiameter@ 980nm μm 6.6 OperatingWavelength nm 980 OperatingTempRange °C -40∼ 85
CladDiameter μm 125 ProofLevel kpsi 220
표 2.PM980C-HI세부사양
제3절 모드잠금
광섬유 펄스 레이저는 출력 파장과 펄스폭 그리고 펄스 반복률등에 따라 광통 신,레이저 가공,의료 분야,초정밀 광주파수 측정 및 분광학등의 광계측 분야등 의 응용분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다.펄스 레이저는 연속발진 레이저 의 외부에 개폐기를 이용하거나 또는 진폭과 주파수 변조기를 이용하여 구현이 가능하다.그러나 이러한 방법들은 광 손실이 크고,레이저 이득 선폭 또는 변조 기의 변조 대역폭에 의해 펄스폭이 제한되는 단점이 있다.[17]더 높은 에너지와 짧은 펄스폭을 구현하기 위해서는 이득 스위칭(Gain switching),공진기 덤핑 (Cavity dumping),Q-스위칭(Q-switching),모드잠금(Mode locking)등을 통해 구현할 수 있다.[17]이러한 방법들 중 모드잠금은 높은 첨두 출력(Peak power), 수 피코초 이하의 펄스폭,수 MHz이상의 고 반복률을 갖는 극초단 펄스 레이 저를 위해 사용되어지고 있다.
스펙트럼 선폭이 불균질하게 넓어지는 특성을 갖는 레이저에서는 다수의 종모 드가 동시에 발진할 수 있다.충분한 여기가 되어 여러 개의 종모드가 동시에 발 진하게 되었을 때 종모드의 간격을 각주파수 ωR로 나타내면 다음과 같이 주어진 다.
(1)
여기서 L은 공진기 길이이고,c(=c0/n)는 광속이다.
시간 도메인에서 다수의 종모드로 발진하는 공진기 내의 임의의 점에서 발생 된 전기장의 강도는 식 (2)로 주어진 모든 진동하는 모드들의 합이다.
(2)
여기서 는 발진하는 중심의 진동 각주파수이고 En과 는 각각 n번째 모드 의 진폭과 위상이다.레이저가 자유롭게 진동하는 상태에서,En과 는 임의의 값을 갖는다.
그림 5는 임의의 개별 위상 값을 가질 때의 시간 변화에 따른 전기장의 세기 분포를 나타낸다.반면에 그림 6은 모든 모드들 N이 동위상이거나 2πn의 위상차 를 갖을 때 시간 변화에 대한 전기장의 세기를 나타낸다.그림 6과 같이 공진하 는 다수의 종모드들이 고정된 위상관계를 갖도록 강제로 제어된다면 짧은 시간 폭을 갖는 극초단 펄스를 만들 수 있다.이러한 현상을 모드잠금(Mode-locking) 또는 위상잠금(Phase-locking)이라고 한다.[18]
이러한 모드잠금의 해석을 간단히 하기 위해 식 (2)를 이용하여 진폭과 위상을 각각 En=1,Φn=0으로 가정하면 다음의 식 (3)을 얻을 수 있다.
cos sin
sin
(3)
레이저의 평균출력은 |E(t)|2에 비례하므로 다음과 같다.
∝ sin
sin
(4)
다음은 모드 잠금된 레이저의 출력 특성을 나타낸다.[18][19]
(1)펄스 주기는 종모드 사이의 주파수 간격의 역수와 같고 레이저 공진기의 길이에 비례한다.
(5)
(2)첨두출력은 평균출력의 N배이고 전기장의 첨두 진폭은 단일 모드 진폭의 N배 이다.
(3)각 펄스의 시간폭은 모드의 수와 반비례하고,이득 대역폭에 비례한다.
∼
(6)
그림 5.서로 다른 위상을 갖는 4개의 모드와 신호들의 총합
그림 6.동위상을 갖는 4개의 모드와 신호들의 총합
3. 1 능 동 모 드 잠 금
능동 모드잠금 기술은 수동 모드잠금과 달리 레이저 외부에서 변조신호를 가 함으로써 이루어지는 모드잠금을 말하며,음향 광학 소자 또는 전기 광학 소자를 이용하여 진폭 변조,위상 변조,또는 주파수 변조를 일으킨다.
그림 7은 진폭 변조에 의한 능동 모드잠금의 원리를 나타내고 있다.fi의 주파수 를 갖는 외부 신호에 의해 진폭이 변조될 때,주파수 fR로 진동하는 모드는 fi+fR과 fi-fR의 위치의 측파대(sidebands)로 에너지를 차츰 이동시킨다.만약 변 조하는 주파수가 fi가 fR과 일치하게 된다면 측파대가 인접하는 다른 모드와 일치 하게 된다.즉 중심 주파수 근처의 모드들이 측파대 신호에 의해 위상 잠금된 다.[20]
그림 7.변조에 의한 능동 모드잠금
3. 2 수 동 모 드 잠 금
수동 모드잠금 기술은 외부의 신호 주입이나 능동소자 없이 이루어지는 모드 잠금을 말한다.수동형 모드잠금은 공진기 내부에 비선형 광학소자를 삽입함으로 써 이루어지며,레이저 광의 세기에 따라 공진하는 광의 위상 또는 진폭을 비선 형적으로 변조함으로써 이루어진다.광섬유 레이저에서 많이 사용되는 수동 모드 잠금 기술은 비선형 편광 회전(NLPR:Nonlinearpolarization ratation)과 비선형 루프거울(nonlinearloopmirror),그리고 포화 흡수체(saturableabsorber)를 이용 하는 방식이 있다.일반적으로 수동 모드잠금 기술은 능동 모드잠금에 비해 비용 이 저렴하며 수 펨토초 정도의 짧은 펄스폭을 구현할 수 있는 장점이 있다.가장 간단한 수동 모드잠금 기술은 반도체 포화 흡수체를 사용하는 방법이다.포화 흡 수체는 비선형 광학 소자로서 입사하는 광세기가 증가할 때 흡수계수가 감소하 는 특징을 가지고 있다.즉,순간적으로 강한 세기를 갖는 펄스는 다른 낮은 세 기를 갖는 펄스보다 더 낮은 손실을 경험하고 흡수체를 통과한다.이러한 작용이 공진기 내에서 주기적으로 이루어짐으로써 안정적인 펄스열을 발생시킨다.
일반적으로 포화 흡수체 응답은 초기 시간의 펄스 모양에 의존하기 때문에 수 동 모드잠금은 시간 도메인에서 설명되어진다.그러므로,펄스 진폭은 일반적으 로 시간의 함수로 묘사된다.포화 흡수체를 이용한 모드잠금된 레이저의 진폭은 다음의 식 (7)로 묘사된다.[21]
′
(7)
여기서 g는 포화된 이득이고 q(t)는 포화 흡수이다.완전히 포화되지 않은 빠 른 흡수체의 경우에,흡수체 응답은 식 (8)에 의해 근사화될 수 있다.
(8)
q0는 변조 깊이이고 Pa는 포화 에너지이다.
그러므로 정상상태는 다음의 식 (9)가 만족함을 보인다.
(9)
이 방정식의 해는 식 (10)의 형태를 갖는다.
sech (10)
만약 펄스폭이 식 (11)이고 포화된 이득이 식 (12)라면 그것은 방정식을 만족 한다.
(11)
(12)
이룰 수 있는 최소의 펄스폭은 식 (13)이다.
(13)3. 3 연 속 발 진 모 드 잠 금 조 건
포화 흡수체를 이용한 광섬유 레이저의 출력은 불안정한 연속발진 출력,Q-스 위칭된 모드잠금(QML)또는 Q-스위칭 그리고 연속발진 모드잠금 중 하나의 형 태로 발생할 수 있다.Q-스위칭된 모드잠금 출력은 포락선내에 모드잠금된 펄스 들을 포함하는 형태의 출력을 말하며 이것은 안정적인 Q-스위칭 포락선일 수도 또는 불안정한 Q-스위칭일 수도 있다.
1992년부터 현재까지 반도체 포화 흡수체 거울은 자기 발진의 수동소자로서 연속발진 모드잠금을 위해 다양한 형태의 고체 레이저와 최근에는 광섬유 레이 저에서도 많이 사용되어지고 있다. 반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 수동 모 드잠금 레이저를 구현할 때 기술적으로 중요한 점은 Q-스위칭 모드잠금과 같은 Q-스위칭 불안정성을 피하고 안정적인 연속발진 모드잠금을 구현하는 것이다.
Q-스위칭 불안정성은 레이저에서 노이즈 요동에 의한 펄스 에너지의 일시적인 증가가 원인이 되고 그때 포화 흡수체의 더 강력한 포화효과가 펄스 에너지를 훨씬 더 증가시키게 한다.이것은 이득의 강력한 포화에 의해 균형을 이루게 된 다.만약 이득이 충분하게 포화되지 않는다면 펄스에너지는 추가적으로 증가하게 되고 스스로 Q-스위칭이 일어난다.상당히 증가된 펄스에너지 때문에 비선형 주 파수 변환,미세구조의 정확한 제조,의료용과 같은 응용에서 QML 체제는 매력 적일 수 있다.그러나 일정한 펄스 에너지와 높은 반복률을 요구하는 많은 응용 분야에서 Q-스위칭 불안정성은 요구되지 않는다.따라서 Q-스위칭 모드잠금을 억제하고 안정적인 연속발진 모드잠금의 출력을 얻기 위해 고체레이저에 대해 잘 알려진 식 (14)의 Q-스위칭 모드잠금이 아닌 연속발진 모드잠금에 대한 조건 을 이해할 필요하다.[22]그러나 식 (14)를 이용하여 쉽게 이해할 수 없고 적절한 조건을 한눈에 알아보기 쉽지 않다.
(14)
따라서 고체레이저에서 Q-스위칭 불안정성이 아닌 연속발진 모드잠금을 위한
조건을 위해 다음의 두가지 가정을 통하여 간략화 하였다.첫 번째 가정은 변조 깊이가 작다는 것을 가정하였다.대부분의 고체레이저에서 사용되는 변조깊이는 수 %인 제품이 사용되기 때문에 변조깊이(ΔR)가 10% 이하라는 가정을 하였다.
두번째 가정은 출력 결합기의 투과율과 비포화 손실이 매우 작다는 것이다.안정 적인 모드잠금을 위해 일반적으로 수 %의 투과율을 갖는 출력 결합기가 사용되 고 있으며,비포화 손실은 레이저 성능을 저하시키는 요소이기 때문에 최소한의 비포화 손실 값을 갖는 SESAM이 사용되기 때문에 이러한 가정이 타당하다.이 러한 간소화한 연속발진 모드잠금 조건은 식 (15)에서 볼 수 있다.[22]
(15)
여기서 파라미터는 EP는 공진기 내부 에너지,Esat,L 레이저 매질의 포화 에너 지,Fsat,A 흡수체의 포화 fluence, 포화흡수체의 변조깊이 이다.
몇 가지 수식을 이용하여 변경하면 식 (15)는 다음의 식 (16)으로 표현될 수 있다.[23]
≥
(16)여기서 L은 공진기 길이이고,Pout은 레이저 출력파워,c는 진공에서 빛의 속 도,그리고 T는 출력 결합기 투과율,와 는 각각 SESAM과 이득매질에서 레 이저 빔 세기의 반경이다.
지금까지 살펴본 안정적인 연속발진 모드잠금 조건식은 고체 레이저에 대한 가정을 통하여 간소화된 식이다.즉 변조깊이가 10%이하,출력 결합기의 투과율 과 비포화 손실값이 매우 작다는 가정을 전제로 한 식이다.본 실험에서 사용되 는 광섬유 레이저의 SESAM은 변조깊이가 30%이고,출력 결합기의 투과율이 30%이기 때문에 앞서 살펴본 조건식과 일치하지 않는다.따라서 식 (16)을 이용 하여 정확한 모드잠금을 위한 공진기 내부 펄스 에너지의 문턱값을 얻는 것은 불가능하지만 식 (16)의 변수 등을 이용하면 Q-스위칭 불안정성이 아닌 안정적 인 모드잠금을 위한 조건을 파악할 수 있을 것이라 생각한다.
제4절 반도체 포화 흡수체 거울
모드잠금 기술은 극초단 광섬유 레이저를 구현하기 위해 사용된다.모드잠금은 크게 능동형과 수동형 모드잠금으로 이루어지며 외부 신호의 사용 유무에 따라 구분된다.능동형 모드잠금 기술은 제작시 비용이 많이 들고,손실이 크며 넓은 펄스폭이 구현되는 단점 때문에 광섬유 레이저를 이용한 모드잠금 방법은 주로 수동형 모드잠금이 선호되고 있으며,특히 반도체 포화 흡수체를 이용한 모드잠 금에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있다.
반도체 포화 흡수체 거울(SESAM: SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)은 이름에서 알수 있듯이 반도체 포화 흡수체와 반도체 거울로 이루어진 소자이다.반도체 포화 흡수체 거울은 GaAs와 AlAs층을 여러 겹 증착하여 만 들어진 반사체 거울과 InGaAs를 단일 양자 우물 구조(SingleQuantum Well:
SQW)또는 다중 양자 우물 구조(MultiQuantum Well:MQW)로 증착한 포화 흡수체를 기본 구조로 한다.이러한 기본 구조의 상부에 반사체 및 코팅등의 설 계 조건에 따라 high-finesseA-FPSA,Thin absorberAR-coated,low-finesse A-FPSA,D-SAM의 다른 형태의 4가지 종류로 구분된다.[24]
그림 8.반도체 포화 흡수체 거울의 구조
SESAM의 특징을 이해하기 위해 우선 반도체 포화 흡수체인 InGaAs의 본질적인 특징을 살펴 볼 필요가 있다.InGaAs는 두개의 시간영역에 따라 다른
응답특성을 갖는다.그림 9는 이러한 포화 흡수체의 응답 특성을 보여준다.
SESAM에 입사하는 포톤 에너지가 충분할 때 나르개(carrier)는 빛을 흡수하면서 밸런스 밴드(Valenceband)에서 컨덕션 밴드(Conductionband)로 여기 될 수 있고 또한 강력한 여기 조건에서 흡수는 포화된다.여기후 60∼ 300
fs의 시간이 지나면 각 밴드의 나르개가 열중성자화(thermalization)하고,이것은 흡수의 부분적인 회복을 야기 시킨다.[25]일반적으로 수 피코초에서 수 나노초 사이의 긴 시간 영역에서,나르개는 재조합(recombination)과 포획(trapping)에 의해 제거되어질 것이다.이러한 두 개의 다른 시간 영역의 존재는 모드잠금에 대해 유용하다.더 긴 시간상수는 레이저가 모드잠금을 스스로 시작할수 있도록
자기발진(self-starting)모드잠금을 촉진하고 반면에 더 빠른 시간 상수는 극초단 펄스를 안정화 시키는데 도움을 준다.[25]
그림 9.반도체 포화 흡수체의 응답 특성
SESAM은 본질적으로 입사하는 광의 세기가 증가할수록 반사율이 증가하는 비선형적 특성을 갖는 물질이다.따라서 단위면적당 입사하는 광의 세기인 펄스 fluence가 일정 세기 이상으로 입사하게 되면 더 이상 흡수하지 못하고 모든 입 사하는 광을 반사하는 포화 현상이 발생한다.이러한 포화현상은 SESAM에 입 사하는 펄스 fluence가 SESAM의 포화 fluence보다 높을 때 발생하며,일반적으 로 입사하는 펄스 fluence가 SESAM의 포화 fluence보다 3배에서 5배정도 크게 될 때 모드잠금이 잘 일어나는 것으로 알려져 있다.[25]
다음의 식 (17)은 이광자 흡수 파라미터 FTPA를 고려한 입사하는 광 펄스의 fluence에 대한 반사율을 나타내고 있다.
(17)
여기서 FP는 입사하는 펄스 fluence,Ans는 비포화 흡수로 ΔR=A0-Ans의 관 계가 있다.ΔR은 변조깊이,A0는 포화 흡수,FTPA는 이광자 흡수 효과이다.
그림 10.실험에 사용된 SESAM의 반사율 특성
4.1
주 요 파 라 미 터
[26]l 흡수(Absorption)
반도체 포화 흡수체 거울은 입사하는 펄스 fluence에 따라 흡수율이 달라지는 비선형 광소자이다.만약 펄스폭이 흡수체 물질의 완화 시간보다 짧다면,시간에 의존하는 흡수는 아래와 같이 주어진다.
(18)
∞ ′ ′ (19)여기서 A(t)는 시간에 의존하는 흡수,A0는 포화흡수,I(t')은 시간에 의존하는 빛의 세기,F(t)시간에 의존하는 fluence,Fsat는 포화 fluence를 나타낸다.포화 흡수 A0는 흡수체의 위치에서 정상파의 전기장 세기의 제곱과 비례하기 때문에 반도체 포화 흡수체의 포화 흡수값은 흡수체의 위치에 의해 조절되어질 수 있다.
l 포화 fluence
포화 fluence Fsat은 흡수계수가 본래의 값의 1/e로 떨어지는 지점에서의 fluence로 정의된다.포화 fluence의 값은 반도체 물질의 변수와 포화 흡수체의 광학 설계에 의존한다.높은 포화 fluence는 포화 흡수체 표면에 손상을 일으키 기 때문에 낮은 포화 fluence가 요구된다.일반적으로 포화 fluence를 줄이기 위 해 흡수체의 두께를 줄이거나 입사하는 전기장의 마루에 위치하도록 조절되어진 다.
l 비포화손실
비포화손실은 로 정의된다.여기서 Rns는 장치에서 이룰 수 있 는 최대반사율이다.비포화 손실의 주된 이유는 결정의 결함이며,이것은 나르개 의 완화시간을 빠르게 하기 위해 의도적으로 이루어 진다.자세한 내용은 완화시 간의 설명을 통해 알 수 있다.
l 변조깊이
변조깊이 은 최소반사율과 흡수체가 완전히 포화될 때의 최대 반사율 사이 의 차이이다.이것은 흡수체의 종류와 흡수체 층의 수,파장,enhancementfactor 등에 의존한다.
l 완화시간
포화 흡수체층은 광자 에너지보다 약간 더 낮은 direct밴드갭을 갖는 반도체 물질로 구성된다.흡수가 일어나는 동안 전자-홀쌍이 만들어진다. 나르개의 완 화시간은 펄스폭보다 조금 더 길어야 한다.이 경우에 펄스의 뒤쪽 측면이 여전 히 흡수로부터 벗어나지만 두 개의 연속적인 펄스 사이의 빈 주기 동안 흡수체 는 포화되지 못하여 레이저의 Q-스위칭 모드잠금의 발생을 막아준다.direct반 도체에서 자발적인 광자의 방출에 의한 완화시간이 대략 1ns이므로,그것을 현 저하게 줄이기 위해서 약간의 예방조치가 취해져야 한다.나르개의 빠른 비방사 완화를 위해 흡수체층에 격자 결함을 도입하며,보통 LT-MBE ,이온주입의 2가 지 기술이 사용되어진다.두 가지 기술에서 완화시간을 조절하기 위한 변수는 LT-MBE기술에서는 성장온도이고 이온주입의 경우는 이온양이다.
l 포화 흡수체 구조
anti-resonant구조는 정상파의 마디 부분이 구조의 앞쪽 표면에 위치한 구조 이다.이것은 낮은 산란손실과 표면에 낮은 손상을 위해 이상적이며,적은 군지 연분산과 넓은 범위의 작동파장에 대해서 enhancementfactor의 적은 변화,그리 고 성장오차에 대해 덜 민감하다는 제조상의 장점을 보인다.그러나 매우 낮은 전기장 enhancement와 비교적 높은 포화 fluence를 겪는다는 단점이 있다.
반면에 resonant구조는 SESAM 구조의 표면이 전기장 세기의 골에 위치된 다.resonant구조의 특징은 anti-resonant특징과 반대이다.그들은 작동파장의 함수로서 군 지연분산과 enhancementfactor에서 격렬한 요동,성장오차에 대한 예민한 민감도,높은 산란손실,그리고 낮은 손상 문턱값을 보인다.그러나, resonant구조는 장치에서 일반적으로 낮은 포화 fluence를 야기하는 높은 전기 장 enhancementfactor를 가진다.
제3장 반도체 포화 흡수체 거울을 이용한 수동 모드 잠금된 광섬유 레이저
제1절 광섬유 융착 접속
광섬유 레이저를 구성하기 위해 사용되는 광학 소자들은 각각의 소자의 연결부분 이 광섬유로 연결 되어있는 pigtail된 상태로 판매 되고 있다.이러한 광학 소자들의 pigtail된 광섬유의 길이는 1∼ 2m 정도의 길이로 판매되고 있다.그러나 실제 설계 되는 광섬유 레이저들은 반복률에 따라 수 m에서 수십 m이상의 공진기 길이가 요구 되며,따라서 광섬유 레이저를 제작하는 과정에서 광섬유와 또 다른 광섬유 사이의 결합은 꼭 필요한 과정이다.광섬유들 사이의 결합은 크게 커넥터로 연결하는 방법과 기계식 접속,융착 접속 등으로 나누어진다.광섬유에서 주로 사용되는 융착 접속은 전기아크를 이용하는 방법으로 융착 하고자 하는 2개의 광섬유 단면의 끝부분을 미 세 조정하여 일치시킨 후 광섬유를 맞대고 전기아크로 녹여 접착시키는 방법이다.이 러한 융착 접속은 커넥터와 기계식 접속 방법에 비해 접속손실이 적고,접속점에서의 반사가 없다는 장점 때문에 광섬유 레이저 제작과정에서 선호 되고 있다.
본 실험에서 사용되는 광섬유의 이득매질은 Nufern사의 PM-YSF_HI를 사용하였 으며,수동형 광섬유로는 PM980C-HP를 사용하였다.실험에서 사용되는 대부분의 광 섬유는 편광 유지형 광섬유이며,이러한 편광 유지형 광섬유들을 정확하게 융착하기 위해서는 복굴절을 발생시키는 응력(stress)물질의 방향을 일치하여 융착하여야 한 다.보통의 융착기는 단순히 2개의 광섬유의 끝을 융해 또는 열로 녹여 광섬유를 잇 대어 접착시키는 방법이기 때문에 편광유지형 광섬유의 융착을 할 수 없다.실험에서 사용된 융착기는 편광유지형 광섬유의 융착이 가능한 FURUKAWA사의 S183PMⅡ AdvancedFusionSplicer를 사용하였다.
FURUKAWA S183PMⅡ FusionSplicer
Description Unit Value Fibercladdingdiameter ㎛ 80~200 Coatedfiberrange ㎛ 100~1000 Averagespliceloss
single-mode Multi-mode
NonZeordispersionshifted PM fiber
dB
0.02 0.01 0.04 0.05 TypicalSplicetime
single-mode PM fiber
sec 15 35 Datastorage
SpliceData
ArcChechhistory
splices checks
2,000 100 Program storage
FusionProgram HeaterProgram
150 12 표 3.FusionSplicer세부사양
FURUKAWA사의 융착기의 융착손실은 평균 0.05 dB이하이고,융착에 의한 편광 물질의 정합정도를 나타내는 Extinction Ratio(ER)가 최대 -40dB인 것으로 제품 사 양에서 확인할 수 있었다.ER에 대한 정의는 아래와 같으며,-40dB의 값은 원하는 편광축(slow axis)과 원하지 않는 편광축(fastaxis)의 광 출력 비가 10000:1을 의미한 다.[14]
log (20)
여기서 Pu는 원하지 않는 편광축(fastaxis)의 광출력이고,Pw는 원하는 편광축 (slow axis)의 광출력이다.
(a) (b) 융착 접속에 대한 방법은 아래의 순서에 의해 진행되었다.
(1)융착을 원하는 길이의 광섬유를 준비한다.
(2)광섬유 코팅제거기(250 μm)를 이용하여 광섬유의 코팅(Firstcoating)을 2.5 cm 정도 벗겨 낸다.
(3)광섬유 세척 탈지면과 에탄올을 이용하여 코팅이 벗겨진 광섬유를 세척한다.
(4)광섬유를 절단기 고정 부품에 고정한다.이때 광섬유 코팅이 있는 부분과 없는 부분의 경계가 약 0.3cm 정도 앞으로 나오도록 한 후에 고정한다.
(5)절단기 고정 부품을 절단기에 넣고 절단한다.
(6)절단하고 고정되어 있는 클리버 고정 부품을 융착기에 고정한다.
(7)융착 하고 싶은 반대 부분도 1-6번 과정을 반복한 후 융착기의 커버를 닫는다.
(8)융착 버튼을 누르면 이때 서로 다른 두 광섬유의 회전축과 접합면을 일치 시키고 설정된 값에 따라 융착을 실시하게 된다.
(9)아크 버튼을 이용하여 접합부의 가열을 실시하여 손실을 줄인다.
(10)장력 테스트를 실시한다.
(11)장력 테스트가 완료되면 융착한 부분에 열수축 튜브를 끼우고 가열을 실시하여 광섬유 융착 부분을 보강한다.
그림 11.편광 유지형 광섬유의 융착 접속 (a)융착 접속 전 (b)융착 접속 후
제2절 선형 공진기형 광섬유 레이저의 구성
그림 12는 본 실험을 위해 설계된 레이저 공진기의 구성도이다.이득 매질을 여기 시키기 위한 펌프 광원은 3S Photonics사 제품으로 중심 파장이 976 nm이고 최대 출력이 720mW인 14pin butterfly 형태의 레이저 다이오드(LD)를 여기 광으로 사용 하였다.여기 광을 입사시키기 위한 소자로는 Haphit사의 제품으로 5W의 평균파워, 10kW의 피크파워를 허용하는 편광 유지형 파장분할 다중화 결합기(PM WDM)가 사 용되었다.편광 유지형 파장분할 다중화 기기는 980nm의 펌프파장과 발진파장 1030 nm를 필터에 의해 투과와 반사시킴 으로써 서로 다른 파장의 경로를 조정할 수 있 다.이득 매질로는 Nufern사의 제품으로 모드필드 지름이 7.5±1 μm인 이터븀이 첨 가된 광섬유(PM-YSF-HI)이며 975nm에서 250dB/m의 코어 흡수율을 가지며 본 실험에서는 132mm의 길이가 사용되었다.수동형 광섬유는 이터븀이 첨가된 광섬유 와 같은 회사의 제품으로 모드필드 지름은 6.6±1μm이며 PANDA형이다.편광유지 형 출력 결합기는 Haphit사의 제품이며 30%의 출력 비를 갖는 필터 타입의 제품을 사용하였다.고 반사 거울은 LEO사의 제품으로 BK7의 물질로 이루어졌으며,약 980 nm에서 1100nm까지의 파장에 대해 99% 반사율을 갖는다.수동형 모드잠금을 위한 소자로는 Non-resonant타입의 다중 우물 구조로 설계된 BATOP사 제품의 반도체 포화 흡수체 거울(SESAM)을 사용하였다.반도체 포화 흡수체 거울은 25mm의 구 리 열 발산판의 중심에 위치하며 4×4mm의 크기를 갖는다.중심파장은 1040nm이 며,40%의 흡수율,30%의 변조크기,그리고 9ps의 이완 시간을 갖는다.마지막으로 거울과 SESAM으로 입사시키기 위한 광섬유의 끝 단면은 FC-APC 타입의 커넥터를 사용하였다.경사 물리 접촉 방식(APC:Angled PhysicalContact)을 물리 접촉 방식 (PC:PhysicalContact)과 비교하면 광섬유 축의 법선에 대해 8°정도 기울어져 있기 때문에 경계면에서 반사된 광 신호가 광섬유의 클래딩이나 외부로 나가도록함으로써 반사에 의한 손실을 줄일 수 있는 커넥터이다.
그림 12.실험 구성도
그림 13.실제 실험 구성도
설계된 광섬유 레이저는 광섬유를 제외한 다른 소자에 의한 분산이 발생하지 않도 록 하기 위해 분산을 고려한 소자선택이 이루어졌다.SESAM에 의해 발생되는 분산 을 줄이기 위해 resonant타입보다 분산과 산란손실이 적고 높은 손상 문턱값을 갖는 non-resonant타입으로 선택하였으며,그림 14에서 볼 수 있듯이 중심파장 1035nm 에 대해 분산이 거의 없음을 확인할 수 있다.편광 유지형 수동형 광섬유와 이터븀이 첨가된 능동형 광섬유의 측정된 분산 값은 그림 15와 16에서 볼 수 있으며,그림 15 와 16에서 보여주는 분산계수 D는 파장 선폭 및 전송거리에 따른 광펄스의 퍼짐 효 과를 나타내는 값으로 단위는 [ps/(nm·km)]이다.일반적으로 사용되는 분산계수는 D
이지만 공진기 전체 분산의 값을 파악하기 위해서는 가 많이 사용된다.는 광펄 스의 포락선이 군속도로 이동할 때 펄스 퍼짐의 원인이 되는 군속도분산(GVD:
Group Velocity Dispersion)을 나타내는 분산 파라미터이며 단위는 [ps2/km]를 사용 한다.공진기 내의 전체 분산 파라미터 의 값의 부호에 따라 양의 분산과 음의 분 산 체제로 구분이 되며,앞서 사용한 분산 계수 D와 는 다음의 식 (21)에 의해 관 련되어진다.[27]
≈
(21) 여기서 c는 진공에서 빛의 속도이고,λ는 중심파장을 나타낸다.위의 식 (21)과 측 정된 스펙트럼인 중심파장 1035nm를 이용하여 환산한 편광 유지형 이터븀이 첨가된 광섬유와 수동형 편광 유지형 광섬유 각각의 값은 0.023ps2/m과 0.027ps2/m였 으며, 이에 따라 공진기 내의 총 분산은 정상분산 체제인 것을 알 수 있었다.
그림 14.SESAM의 분산 특성
그림 15.PM-YSF-HI광섬유의 분산 특성
그림 16.PM980-HP 광섬유의 분산 특성
제3절 자기상관 간섭계를 이용한 펄스폭 측정
모드잠금된 레이저로부터 나온 펄스들은 짧은 펄스폭(< ps)을 가지고 있어서 매우 빠른 광 검출기와 오실로스코프를 사용하는 기존의 측정방법으로는 정확한 펄스폭을 측정할 수 없다.따라서 이러한 짧은 펄스폭의 측정은 자기상관(Autocorrelation)이라 불리는 측정방법을 이용한다.자기상관은 동일한 신호의 상관관계를 의미하며,이러 한 측정 장치의 기본적인 광학 구성은 마이켈슨 간섭계와 유사하다.입사되는 펄스열 을 동등한 세기(intensity)의 두 개의 빔으로 분할하고,두 개의 팔(arm)중 한쪽에 위 치된 조정 가능한 광의 지연(delay)을 이용하여 두 펄스간의 광로차를 조절한다.광 로차가 조절된 2개의 빔을 다시 결합함으로써 펄스들의 자기상관을 측정하여 펄스폭 을 결정하게 된다.자기 상관 신호의 측정을 위해서는 이 광자 흡수(TPA)또는 제2 고조파 발생을 위한 비선형 광 결정소자 등이 이용된다.
3.1광강도 자기상관 간섭계(Intensity Autocorrelator)
광강도 자기상관 간섭계는 피코초 이하의 펄스폭 측정을 위해 가장 일반적으로 사 용되는 방법이며,본 실험은 편광에 비의존적이고 위상정합이 필요 없는 이 광자 흡 수 효과를 이용한 Avesta사의 AA-10D 자기상관 간섭계를 이용하여 측정하였다.자 기상관 간섭계에 의해 검출되는 신호는 2개 빔의 강도(intensity)곱에 비례하는 새로 운 강도의 신호가 검출된다.
∝ ∙
(22) 여기서
는 마이켈슨 간섭계의 공간지연(spatialdelay)으로부터 얻어지는 시간지연 (temporaldelay)이다.하지만 광검출기의 반응시간 또는 분해능이 펨토초펄스를 검출 할 수 없으므로,비선형 효과를 이용한 분할된 2개빔의 상대적 시간지연의 함수로 다 음과 같은 자기상관 함수로 표현 된다.
∞∞
(23) 이 광자 흡수를 이용한 자기 상관 간섭계의 구조는 그림 17과 같다.그림 17.이 광자 효과 기반 자기상관 측정장치 구조
측정된 데이터를 이용하여 펄스폭을 결정하기 위해서는,자기상관 간섭계를 이용하 여 간섭신호에 의한 함수를 얻고 다음과 같은 방법을 통해 펄스폭을 결정할 수 있다.
1.distancecalibrator를 화살이 스케일의 중심에 있을 때 까지 움직여라
2.나사를 이용하여 M1을 움직이고 동시에 오실로스코프 화면상의 자기상관 함수의 이동과 distancecalibrator를 이용하여 거리의 변화를 측정해라
3.최대의 1/2지점의 자기상관 함수의 위치과 일치하는 두지점을 찾아라
4.차이 L 을 계산해라(15μm 측정거리가 100fs와 일치한다는 것을 고려하여 자기
상관 함수의 폭()를 측정할 수 있다.)
5.펄스 형태에 따라 가우시안 펄스 형태를 가정하면 자기상관 함수의 폭을 1.41로 나누고 sech 형태를 가정하면 1.55로 나눔으로써 최종적인 펄스폭을 얻을 수 있다.
3.2주파수 분석 광게이팅 (FROG)
그림 18은 주파수 분석 광게이팅(FROG:Frequency-Resolved OpticalGating)측 정장치의 구조를 나타내고 있다.그림에서 볼 수 있듯이 주파수 분석 광게이팅 측정 장치도 역시 마이켈슨 간섭계 형태와 동일한 구성을 갖는다.광강도 자기상관 간섭계 와 달리 FROG는 자기상관 신호의 검출을 다이오드 기반의 광검출기가 아닌 분광기 를 사용하여 측정한다.따라서 FROG는 광펄스의 펄스폭,펄스 모양을 측정할 수 있 으며,주파수와 위상정보 또한 측정함으로써 극초단 광펄스의 완전한 측정이 가능하 다는 장점을 갖는다.
그림 18.제 2고조파 기반 FROG 측정장치 구조
